Die Additive Fertigung ergänzt immer mehr herkömmliche Fertigungstechniken und ist in vielen anspruchsvollen Industrien wie der Kunststoffindustrie, dem Sondermaschinenbau und Automobil – und Flugzeugbau bereits erfolgreich im Einsatz. Für wirtschaftlichen 3D-Druck notwendig und meist im Aufmerksamkeitsschatten einer Boom-Branche ist allerdings ein Element: das nötige Schutzgas bei der additiven Fertigung.

Die Technik ist beeindruckend, die Zahlen sind es aber auch: alleine zwischen 2017 und 2018 ist der Markt für additive Fertigung um 18 Prozent auf 9,3 Milliarden US-Dollar gestiegen. Bis 2025 soll die Wachstumskurve dann schon ein Niveau von rund 33 Milliarden US-Dollar erreicht haben.

Beim dreidimensionalen Druck erfolgt der Aufbau Schicht für Schicht auf Basis digitaler Konstruktionsdaten. Das heißt, der Werkstoff wird nur an den Stellen verbaut, wo er gebraucht wird. Wo herkömmliche Fertigungsverfahren wie Fräsen, Schleifen oder Schmieden an ihre Grenzen stoßen, können additive Technologien ihre Stärken voll ausspielen. Darüber hinaus bildet der 3D-Druck in der fertigenden Industrie unter anderem eine solide Basis für die Transformation in die Industrie 4.0.

Viele attraktive Vorteile

Die Vorteile liegen klar auf der Hand: Der 3D-Druck bietet Konstrukteuren fast uneingeschränkte Freiheiten bei der komplexen Geometrie von Bauteilen. Das Verfahren macht vor allem kleinere Losgrößen und Einzelstücke wirtschaftlich darstellbar.

Prototypen und selten nachgefragte Ersatzteile gelten daher - bei verkürzten Produktionszeiten - als die Hauptfelder der additiven Fertigung. Anpassungen an veränderte Anforderungen können schnell und problemfrei vorgenommen werden. Verglichen mit der bisherigen Lieferkette sparen sich Produzenten durch das Ausrucken vor Ort viel Zeit und Kosten. Zudem entfallen Umform- als auch Druckgießwerkzeuge, was die Werkzeugkosten deutlich vergünstigt.

Ergänzung oder Substitution?

Das Allheilmittel für Herausforderungen im Bereich Fertigungsverfahren ist der 3D-Druck sicherlich nicht. Die additive Technologie stößt letztlich dann an ihre Grenzen, wenn sich mit herkömmlichen Verfahren wirtschaftlich hohe Stückzahlen realisieren lassen.

Das gilt vor allem für die Herstellung von Metallteilen im Großvolumensegment in der Automobilindustrie. „Die additive Fertigung ergänzt die herkömmlichen Verfahren der Metallbearbeitung und wird sie teilweise ersetzen“, erklärt Dirk Kampffmeyer, Experte für Schweißen und Additive Fertigungsverfahren bei Messer. „Als Gase-Experten sind wir an der vordersten Front dieser Entwicklung beteiligt.“

Nicht mehr nur Prototypen

Bislang lag der Fokus des 3D-Drucks auf der Entwicklung von Prototypen. Zukünftig werden sich die Märkte aber – und das ist schon ein riesiger Schritt - auf die Fabrikation einzelner Bauteile mit kleinen Volumen konzentrieren.

Zu den stärksten Wachstumstreibern gehören optimierte Druckmethoden und Druckmaterialien, eine intensivere Implementierung der additiven Fertigung in die Geschäftsprozesse sowie die Realisierung neuer Geschäftsmodelle. Bei der additiven Fertigung entwickelt sich die Just-in-time-Lieferung zu einem On-demand-3D-Druck. 3D-Druck-Zulieferer, die hier als Spezialisten auftreten, werden Marktanteile gewinnen und den Löwenanteil der Wertschöpfungskette unter sich aufteilen.

In nicht allzu ferner Zukunft werden OEM mit eigenen zertifizierten 3D-Druckern je nach Anforderungen Original-Ersatzteile herstellen. Auf diese Weise reduzieren sich die Logistik- und Lagerkosten bei steigenden Margen im Aftersales-Bereich.

Gas und Gasgemisch: nur so kommt man zum gewünschten 3D-Druckergebnis

Damit Werkstoffe wie beispielsweise Metall nicht oxidieren, werden sie je nachdem von einem Gas – also Stickstoff, Argon oder Helium - unter hohem Druck durch eine Düse befördert.

„Wir kennen uns mit dem Zusammenspiel der verschiedenen Metalle und Legierungen auf der einen und den Gasen sowie Gasgemischen auf der anderen Seite aus“, so Kampffmeyer. „Das gewünschte Ergebnis erzielt man nur, wenn beides optimal aufeinander abgestimmt ist. In diesem Punkt können wir unsere Kundinnen und Kunden umfassend beraten.“ Gase sind also entscheidend für das Ergebnis bei der additiven Fertigung.

Beim Druck des Bauteils werden je nach dem jeweiligen 3D-Druck-Verfahren Schutzgase, Trägergase und Gase zum Kühlen unterschieden. Welches Gas mit welcher Reinheit benötigt wird, hängt bei den meisten Druckverfahren vom Werkstoff ab.

Gewichtsverlust für Flugzeuge, Individualisierung für Premium-Autos

Für die direkte Komponentenfertigung kam die additive Fertigung wegen des hohen Automatisierungsgrads bei Autoherstellern und Flugzeugbau und den hohen Stückzahlen eher weniger zum Einsatz.

Denn die im Volumenmarkt erforderlichen Stückzahlen ließen sich so meinen Experten, auch nicht mit schnelleren Aufbauraten wie bei der additiven Fertigung mit Draht nicht erreichen.

Der 3D-Druck eignet sich derzeit im Wesentlichen für Autos aus dem Premium-Segment und für eine beschränkte Anzahl an Bauteilen, aber mit steigender Tendenz. Nachteilig ist auch bei dem metallischen Laserschmelzen der hohe Energieaufwand. Von der Pulverherstellung bis zum fertigen Bauteil muss rund zwei Mal so viel Energie aufgewendet werden wie beim konventionellen Gießen.

Der Flugzeugbau gehört in jedem Fall auch zu den wichtigeren Industrien für die 3D-Drucktechnologie. Auch wenn der 3D-Druck sich noch nicht für die wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen eignet, so könnte er das Flugzeuggewicht um vier bis sieben Prozent verringern. So kann teurer Treibstoff gespart werden.

Teilmarkt Kunststoffindustrie

Auch in der kunststoffverarbeitenden Industrie setzen immer mehr Unternehmen additive Fertigungsverfahren ein. Vor allem Kunststoffe aus dem Bereich der Polyamide treiben diese Entwicklung kräftig voran. So hat für Michael Todd, Innovationschef des Henkel-Klebstoffgeschäfts, der 3D-Druck bereits eine Reihe wichtiger Entwicklungsschritte genommen. Additiv gefertigte Plastikteile sind mittlerweile robuster und dennoch leichter als noch vor ein paar Jahren.

Der 3D-Druck kommt im Kunststoff-Bereich längst nicht mehr nur für den Bau von Prototypen zum Einsatz und wird daher schon in den ersten industriellen Fertigungen verwendet. Noch weist Henkel mit der Technologie nur geringe Umsätze aus, die allerdings kontinuierlich im Wachsen begriffen sind. Je mehr neue Materialien für Anwendungen in der Industrie auf den Markt kämen, umso mehr würde sich der Markt für Todd vergrößern.

3D-Druck gegen lange Lieferketten

Die deutsche Automobilindustrie hat das Potenzial des Additive Manufacturing natürlich erkannt: Im Oberschleißheimer BMW-Werk ist die Technologiekompetenz für industrielle 3D-Druckverfahren gebündelt vorhanden. Hier werden neue Verfahren unter anderem im Kunststoffbereich entwickelt und zur Serienreife gebracht. Im Vordergrund steht die Produktion von Bauteilen für Prototypen, für die Serienproduktion und für individualisierte Fahrzeugteile. Auf längere Sicht identifiziert der bayerische Hersteller große Chancen, Komponenten gleich dort herzustellen, wo sie auch schließlich benötigt werden.

An der Maschine

Additive Fertigungsverfahren bieten vor allem im Bereich des Sondermaschinenbaus signifikante Vorteile. Der 3D-Druck erlaubt auch hier eine dezentrale Versorgung von Ersatzteilen, kostengünstige Sonderanfertigungen auch bei geringen Stückzahlen und ein hohes Potenzial bei der Gestaltungsfreiheit von Bauteilen.

Darüber hinaus ermöglicht der 3D-Druck bei kleinen Stückzahlen niedrigere Kosten als der Metallguss. Im Bereich Engineering lassen sich Ideen schneller umsetzen als mit herkömmlichen Fertigungsverfahren. Denn die Fertigungslinien offerieren nicht spontan die erforderlichen Kapazitäten und Möglichkeiten für neue Werkteile.

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